Р ис. 3. Внешний вид и схема включения тангенс-буссоли. Порядок выполнения работы

1. Собрать цепь по рис.3. При сборке цепи необходимо удалить от тангенс-буссоли предметы, которые могут оказывать влияние на положение магнитной стрелки. Занести в таблицу значение диаметра и числа витков катушки тангенс-буссоли.

N = 50 витков

r = 7,7 см

№ опыта	r, м	N, витков	I, А		, Тл	, Тл	, Тл	, %

2. Расположить катушку тангенс-буссоли в плоскости магнитного меридиана Земли. Для этого необходимо поворачивать ее вокруг вертикальной оси до тех пор, пока витки катушки не окажутся в одной плоскости с магнитной стрелкой.

3. Замкнуть ключ К и установить величину тока I такой, чтобы угол отклонения магнитной стрелки ^/ лежал в пределах 30–60^о. Отсчет по лимбу производится после полного успокоения стрелки. Переключением полярности изменяют направление тока в рамке и, следовательно, направление вектора индукции магнитного поля . Запишите новое отклонение буссоли ^//. Среднее арифметическое этих двух отклонений является истинным отклонением стрелки  от направления горизонтальной составляющей вектора индукции.

Повторите измерения не менее трех раз и рассчитайте среднее арифметическое угла _ср.

4. Те же измерения проведите при четырех других значениях силы тока и аналогично определите угол отклонения стрелки _ср для каждого тока.

5. Рассчитайте по формуле (3) для каждого тока горизонтальную составляющую вектора индукции , используя значения соответствующих углов . Найдите среднее значение .

6. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

7. Определите абсолютную и относительную ошибку измерения горизонтальной составляющей вектора индукции с доверительной вероятностью  = 95%.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные элементы земного магнетизма.

2. Расскажите об устройстве и принципе действия тангенс-буссоли.

3. Почему катушку тангенс-буссоли следует брать диаметром, большим размеров стрелки?

4. Как на опыте определить горизонтальную составляющую вектора индукции магнитного поля Земли?

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§16.1; 16.5.

2. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§39.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§109, 110, 112.

Лабораторная работа № 15

Измерение размеров малых объектов с помощью микроскопа

Цель работы: определение с помощью биологического микроскопа размеров малых объектов.

Приборы и принадлежности: микроскоп биологический, окулярно-винтовой микрометр, объект-микрометр, осветитель, гистологический препарат эритроцитов крови кролика.

Микроскоп является одним из важнейших лабораторных приборов в биологических исследованиях. Микроскопы широко применяют для наблюдения и исследования таких объектов, которые невозможно различить невооруженным глазом.

Построение изобра­жения предмета в мик­роскопе показано на рис.1. Оптическая система микроскопа сос­тоит из двух систем линз: объектива и оку­ляра. Для простоты по­строения изображения на рис.1 система линз объектива замене­на одной собирающей линзой Л₁, а система линз окуляра – линзой Л₂. Предмет АВ помещается перед объективом немного дальше его фокуса. Объ­ектив создает увеличенное действительное изображение А^/В^/ предмета вблизи переднего фокуса окуляра, которое рассматри­вается глазом через окуляр. Возможны три случая взаимного расположения окуляра и изображения А^/В^/: 1) изображе­ние А^/В^/ находится немного ближе переднего фокуса окуляра F₂. В этом случае окуляр создаст увеличенное мнимое изображе­ние А^//В^//, которое проецируется на расстояние наилучшего зре­ния (рис.1); 2) изображение А^/В^/ лежит в фокальной плос­кости окуляра. В этом случае изображение, создаваемое окуля­ром, проецируется на бесконечность и глаз наблюдателя работа­ет без аккомодации; 3) изображение А^/В^/ находится дальше переднего фокуса окуляра. В этом случае изображение, созда­ваемое окуляром, будет действительным, увеличенным. Такое расположение окуляра применяется для микропроекции и микро­фотографии.

Рис. 1.

Увеличение микроскопа

, (1)

где f₁ – фокусное расстояние объектива; f₂ – фокусное рас­стояние окуляра; Δ – оптическая длина тубуса: s – расстояние наилучшего зрения.

Можно предположить, что, подбирая соответствующим обра­зом значения величин f₁, f₂ и Δ, получим микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Однако на практике не исполь­зуют микроскопы с увеличением свыше 1500–2000, так как возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обусловливается влиянием дифрак­ции света, происходящей в структуре рассматриваемого объекта,

В связи с этим пользуются понятиями предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.

Предел разрешения микроскопа определяется по формуле

, (2)

где λ – длина волны света, освещающего предмет; n – показатель преломления среды между окуляром и предметом, u – апертурный угол объектива, равный половине угла между край­ними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа. Величина А = n sin u является числовой апертурой. Тогда

. (3)

Эта формула справедлива в случае освещения предмета сходя­щимся пучком лучей.

Учитывая наличие предела разрешения микроскопа и предела разрешения глаза, вводят понятие полезного увеличения микро­скопа. Это такое увеличение, при котором микроскоп создает изображение предмета, имеющего размеры, равные пределу разрешения Z микроскопа, и размеры этого изображения равны пределу разрешения Z_гл невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения:

. (4)

Нормальный глаз на расстоянии наилучшего зрения различа­ет две точки предмета, если угловое расстояние между ними не менее 1^/, что соответствует расстоянию между этими точками по­рядка 70 мкм. В этом случае полезное увеличение будет мини­мальным:

.

Считают, что глаз меньше всего утомляется при рассматрива­нии предметов, размеры которых в 2–4 раза больше предела раз­решения глаза (на расстоянии наилучшего зрения). Поэтому обычно используют микроскопы с полезным увеличением в преде­лах от 2Г_min до 4Г_min.

Если в формулу (4) подставить (3), то получим

. (5)

При освещении объекта белым светом длину волны λ счи­тают равной 0,555 мкм, так как глаз к ней наиболее чувствите­лен. Таким образом, полезное увеличение микроскопа обычно находится в интервале 500 А < Г < 1000 А.

В биологических исследованиях микроскопы часто используют для измерения размеров малых объектов. Для этой цели микроскоп снабжают специальным устройством – окулярно-винтовым микрометром, представляющим собой насад­ку, надевающуюся на верхний конец тубуса микроскопа вместо окуляра. Оптическая часть микрометра состоит из линзы-окуля­ра, неподвижно закрепленной стеклянной шкалы и подвижной стеклянной пластинки, на которую нанесены перекрестье и два вертикальных штриха над ним, параллельные делениям шкалы. Стеклянная пластинка с перекрестьем перемещается вдоль шкалы микрометра с помощью микрометрического винта.

Окулярно-винтовой микрометр закрепляют на тубусе так, что­бы стеклянная шкала находилась в плоскости, в которой распо­ложено действительное изображение предмета, создаваемое объективом микроскопа. При этом изображение шкалы при рас­сматривании в окуляр совмещается с изображением предмета. Перемещая с помощью микровинта подвижную пластинку, можно совместить перекрестье сначала с одним краем рассматриваемого предмета, а затем с другим. При этом можно определить, какому числу делений шкалы микрометра соответствует данное изобра­жение.

Перемещение пластинки с перекрестьем на одно деление шкалы микрометра соответствует одному полному обороту мик­рометрического винта. Барабан микрометрического винта разде­лен на 100 делений; следовательно, с помощью окулярно-винто­вого микрометра можно производить измерения предметов с точ­ностью до 0,01 деления шкалы.

Для определения размеров предмета необходимо знать цену деления окулярно-винтового микрометра. Под ценой деления окулярно-винтового микрометра понимают выраженную в мил­лиметрах длину отрезка, рассматриваемого в микроскоп, изобра­жение которого занимает одно деление шкалы микрометра.

Для определения цены деления окулярно-винтового микрометра применяют объектный микрометр. Объект-микрометр представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесена линейная шкала длиной в 1 мм и ценой деления 0,01 мм.

Объектный микрометр рассматривают в микро­скоп как предмет и, совмещая в поле зрения объектную и оку­лярную шкалы, определяют цену деления окулярного микрометра.